Svartkroppsstrålning och Plancks konstant

Fysik B - NV08FMTLektionen idag var, som någon uttrycket det, något av det filosofiska hållet. Vi började med att jämföra hur temperaturen på vatten förändrades när vi hällde upp det i två kärl: ett vitt och ett svart. Experimentet blev inte helt lyckat, framförallt då de båda termometrarna inte var kalibrerade. Dock kom vi fram till slutsatsen att kärlen måste avge lika mycket energi som de tar emot, annars hade kärlen blivit varmare och varmare för att till slut bli varmare än vattnet. Detta är orimligt – vår vardagsförståelse säger oss att ett kärl (eller en mugg) inte blir varmare och varmare, utan att temperaturen följer med innehållets temperatur.

Ett föremål som absorberar all energi som kommer i dess väg, alltså som inte reflekterar någon, kallas för en svartkropp. I fallet med de olika färgade kärlen skall temperaturen minska snabbast i det svarta kärlet. Detta för att svart absorberar mer energi än vitt, och därför kommer också svart att avge energi i ett snabbare tempo än det vita. Detta används ofta i termosar, fast de brukar vara blanka istället för vita.

Orsaken till att energi avges finns i den klassiska värmeläran. När ett material tar upp energi kommer dess atomer att öka sina rörelser och kollidera med varandra. De laddade partiklarna i atomen kommer därmed att undergå en acceleration. Under accelerationen av laddade partiklar kommer elektromagnetisk strålning att avges (enligt Maxwells ekvationer, som inte ingår i gymnasiefysiken). Denna strålning ÄR värmestrålningen som avges. Ju varmare det blir, desto kortare blir den elektromagnetiska strålningens våglängd. Blir det tillräckligt varmt kommer materialet att börja glöda. Då har våglängden blivit så kort att vi kan uppfatta den med ögat (synligt ljus ligger i våglängdsområdet 600 nm – 400 nm). Nedanstående graf visar hur temperatur och våglängd hänger ihop.

Temperaturstrålnings intensitet och våglängd vid olika temperatur. (Klicka på bilden för att komma till dess beskrivning med ursprungs- och licensinformation)

Vi ser både att intensiteten ökar samt att den våglängd som toppar intensiteten minskar med ökande temperatur.

Runt sekelskiftet 1800 – 1900 upptäcktes att att den klassiska fysiken inte räckte till för att förklara dessa temperaturkurvor. Man liknade de svängande atomerna med en harmonisk vågrörelse. Som du kanske minns kan en harmonisk våg ha både grundtoner och övertoner. Ju högre upp bland övertonerna man kommer, desto kortare blir också våglängden. Enligt den klassiska teorin är det lika sannolikt att en atom beskriver en ”grundton” såväl som en ”överton”. Det borde alltså funnits väldigt många ”övertoner” bland atomerna i ett material som var varmt (och faktum är att detta gäller alla temperaturer över absoluta nollpunkten). Detta skulle leda till att de kortare våglängderna skulle dominera i material av alla temperaturer. Detta visar den svarta kurvan ovan (Classical theory), som ökar obegränsat. Detta scenario, som alltså inte överensstämmer med verkligheten, kallas Den ultravioletta katastrofen. Man kunde alltså sluta sig till att alla översvängningar inte är lika sannolika (tvärtemot den klassiska teorin). Max Planck postulerade då att energier förekommer i s.k kvanta. Det innebär att det finns värden på energier som inte kan finnas. T ex en spisplatta regleras mellan 1 – 10, men det finns inga mellanlägen. Detsamma gäller för energier, fast i en mycket mindre skala. Planck postulerade: E=hf, där h är Plancks konstant, 6.626\cdot10^{-26} Js, f är frekvensen och E är den utsända energin. Det innebär att ju högre frekvens (kortare våglängd), desto högre energi.

Verkar detta konstigt? Det är det många som tycker. T o m Max Planck tyckte att det var så orimligt att han utgick från att han hade fel. En förklaring av innebörden ges i det dokument som länkas till nedan, som är ett utdrag ur en diskussion från forumet  thenakedscientists. Läs och begrunda! Försök att svara på frågorna i slutet av dokumentet. Dokumentet följer nedan.

Planck_Constant_Discussion.pdf

Svartkroppsstrålning och Plancks konstant

0 reaktioner på ”Svartkroppsstrålning och Plancks konstant

Kommentera